石化行業(yè)多罐池火燃燒危險性分析

王鵬飛　李毅

摘要：火災是儲罐區(qū)常見的災害事故類型，多罐池火災連鎖事故一旦發(fā)生，往往帶來不可估量的損失。本文分析了多罐池火災連鎖事故致災效應，闡述了初始池火災誘發(fā)多罐池火連鎖事故的過程;利用數(shù)值模擬方法對不同工況下單一池火和四源池火燃燒場景進行了數(shù)值模擬，分析了不同工況下四源池火燃燒時火焰融合情況，同時借助火焰高度特征參數(shù)對比分析了單一池火和多罐池火的燃燒危險性。

關鍵詞：多罐池火;連鎖事故;數(shù)值模擬;危險性分析

中圖分類號：X932? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）04-0030-02

石油化工行業(yè)儲罐區(qū)通常集中連片建設，這使得儲罐存放比較密集，一旦某一儲罐發(fā)生事故，極易引起整個儲罐區(qū)的連鎖反應，引發(fā)嚴重的次生災害。火災是儲罐區(qū)常見的災害事故類型，包括池火災、噴射火、閃火等，其中池火災是石化儲罐區(qū)火災事故中發(fā)生頻率最高的一種火災事故類型，包括單一池火災和多罐池火災。多罐池火災連鎖事故一旦發(fā)生，往往帶來不可估量的損失[1]。例如2005年12月英國邦斯菲爾德油庫火災事故造成了22個汽油儲油罐同時起火，直接經濟損失2.5億英鎊;2010年1月蘭州石化公司某罐區(qū)一個儲罐發(fā)生火災，引燃周圍5個儲罐，火災造成6人死亡，15人受傷。因此開展石化行業(yè)儲罐區(qū)多罐池火災連鎖事故危險性分析是非常有必要的。

筆者對多罐池火災連鎖致災效應進行了分析，給出了池火災誘發(fā)儲罐區(qū)多罐池火災連鎖事故的過程;同時利用數(shù)值模擬方法對單一池火和多罐池火兩種燃燒場景進行了數(shù)值模擬，并對其進行了危險性對比分析。

一、多罐池火災連鎖效應致災分析

連鎖效應是一個初始單元或設備發(fā)生事故導致的物理效應觸發(fā)鄰近的一個或多個設備相繼發(fā)生二級及二級以上的事故，從而增加了后果嚴重度的現(xiàn)象[2-3]。多米諾連鎖效應主要是由火災熱輻射、爆炸沖擊波以及爆炸碎片引發(fā)的。在眾多研究中，普遍認為熱輻射、超壓、拋射物（碎片）是導致連鎖事故擴大的3個主要因素，相關學者總結了由上述3種物理效應引發(fā)的100個多米諾連鎖事故，發(fā)現(xiàn)在這100起連鎖事故中有近一半初始事故的原因是火災。

火災是石油化工行業(yè)常見的事故類型，其對設備破壞的主要方式是熱荷載，主要包括池火災、閃火、火球以及噴射火[4]。池火災作為初始事故產生連鎖效應的情況最多，約占44%。結合石油化工行業(yè)儲罐區(qū)的特點，筆者對池火災引起的多罐火災連鎖事故進行了分析，池火災作為初始事故通過直接接觸和熱輻射兩種途徑引發(fā)連鎖事故，其致災過程如圖1。池火災通過熱荷載作用于周圍的二級單元上，例如相鄰的儲罐或管線等，若熱荷載很小，不足以達到相鄰二級單元的失效臨界值，那么不會產生多罐火災連鎖事故;若熱荷載使得周圍的儲罐或管線等容器失效，那么會造成事故的擴大，產生二級事故;若熱荷載沒有直接造成周圍容器失效，但是容器內液體受熱沸騰使其內部壓力超過許用壓力，也會造成事故的擴大進而產生二級事故。池火災誘發(fā)的諸如火災、爆炸、泄漏等二級事故在合適的觸發(fā)條件下會造成更多單元的破壞，進而使得火災在儲罐區(qū)不斷蔓延，造成多罐池火災連鎖事故，最終帶來更大的危害。

二、多源池火數(shù)值模擬分析

（一）模擬工況

基于多儲罐池火災連鎖事故的特點，筆者對不同油盤直徑（d=1.0m、1.4m）不同火源間距（L=1.5D，L=1.75D，L=2.0D，L=2.5D，L=3.0D）下的四火源燃燒和不同油盤直徑（d=1.0m、1.4m）下的單火源燃燒工況進行了數(shù)值模擬，并將其兩種燃燒場景結果進行了對比。模擬采用正庚烷作為燃料，圖2展示了單一池火和四火源燃燒的模擬場景方案。

（二）模擬結果對比分析

1.四火源火焰融合情況

圖3展示了直徑1.0m時不同火源間距下四火源燃燒火焰融合情況。可以看到，直徑為1m的4個油盤同時點燃，當油盤間距L=1.5d時，四火源的火焰均向幾何中心偏轉，在中心處融合成一個更大的火焰;當油盤間距L=1.75d時，四火源不會完全融合成一個火源，只是在燃燒過程中偶爾發(fā)生兩個或者三個火焰融合;當油盤間距L=2.0d時，四火源也沒有發(fā)生火焰融合現(xiàn)象，只是燃燒過程中偶爾發(fā)生火焰的接觸;當油盤間距L=2.5d時，四火源火焰會向中心傾斜，但是四火源仍是獨立燃燒的狀態(tài)，沒有發(fā)生火焰接觸和融合;當油盤間距L=3.0d時，四火源獨立燃燒。同樣的，直徑為1.4m時四火源燃燒在不同間距下的火焰情況呈現(xiàn)出與上述相同的趨勢。

表1給出了四火源燃燒時，不同火源直徑（d=1m、1.4m）不同火源間距（L=1.5D，L=1.75D，L=2.0D，L=2.5D，L=3.0D）工況的火焰融合情況。可以看到相同直徑下，隨著火源間距的增大，四個火焰逐漸獨立燃燒;在一定火源間距情況下，才會產生火焰融合形成一個新的火焰。上述表明存在一個臨界火源間距，當大于這個臨界間距時，四火源不會產生火焰融合，當小于等于這個臨界間距時，四火源會發(fā)生火焰融合現(xiàn)象。

2.火焰高度

通過單一池火和四火源池火燃燒的數(shù)值模擬結果，筆者截取了每個工況下火焰穩(wěn)定燃燒時40幅火焰高度圖像，獲得了每幅圖像火焰頂端的高度數(shù)據(jù)，以此計算了平均值作為每個工況下的平均火焰高度。

筆者將單火源和四火源數(shù)值模擬獲得的火焰高度進行了對比分析，圖4展示了不同工況下的火焰高度數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，火源直徑1.0m時，四火源燃燒的火焰高度均高于單火源燃燒的火焰高度;火源直徑1.4m時，四火源的火焰高度也高于單火源的火焰高度;上述表明四火源燃燒時，其火焰高度要高于單一池火，即四火源燃燒的危險性要更大，對外界產生的危害也更大。同時還可以發(fā)現(xiàn)，四火源燃燒時，隨著火源間距的增加，火焰高度隨之下降，逐漸趨近于單火源情況下的火焰高度;這是由于火源在一定的火源間距下，多個火源之間的相互作用，會發(fā)生火焰傾斜并融合形成一個更高的火焰;而隨著火源間距的增大，火源間的相互作用逐漸減弱，慢慢變成獨立燃燒的狀態(tài)，進而與單火源燃燒的狀態(tài)相似，接近其單一池火的火焰高度;上述表明適當?shù)姆阑痖g距是防止儲罐區(qū)多罐池火災火焰融合的有效途徑之一。

三、結語

火災是石油化工行業(yè)常見的事故類型，池火災作為初始事故產生連鎖效應的情況最多。池火災通過熱荷載作用于周圍的設備單元上，誘發(fā)的諸如火災、爆炸、泄漏等二級事故在合適的觸發(fā)條件下會造成更多單元的破壞，進而使得火災在儲罐區(qū)不斷蔓延，造成多罐池火災連鎖事故。

多罐池火同時燃燒時，存在一個臨界火源間距使得各個火源融合形成一個新火焰;多火源火焰融合時，其火焰高度要高于相同直徑下單一池火的火焰高度，這表明多源池火燃燒時其危險性要更大;隨著火源間距的增大，多火源燃燒的火焰高度逐漸減小，最終會趨近于單火源燃燒的火焰高度，這表明適當?shù)姆阑痖g距是防止儲罐區(qū)多罐池火災火焰融合的有效途徑之一。

參考文獻：

[1]王鵬飛，劉晅亞，陳龍飛.多儲罐池火連鎖事故風險分析[C].2019中國消防協(xié)會科學技術年會論文集.2019：139-142.

[2]李求進，楊玉勝，陶紅.基于多米諾效應的定量風險評價研究[J].中國安全生產科學技術.2012，08（1）：71-76.

[3]魏欣，何雨謙，鐘月華，肖澤儀.化工儲罐群池火災連鎖效應分析[J].四川化工，2013，16（1）：41-44.

[4]高進東.化工儲罐區(qū)池火災多米諾效應風險評估[J].中國安全生產科學技術，2013，9（7）：54-59.